Решения дифференциальных уравнений методом коллокации в программной среде MATLAB

Данная работа посвящена решению обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка методом коллокации. Разработан алгоритм решения обыкновенных дифференциальных уравнений методом коллокации в программной среде MATLAB. Проведено тестирование разработанного алгоритма.

Введение …………………………………………………………………………………………… 12
1. Объект и метод исследования………………………………………………………….. 14
1.1 Обыкновенные дифференциальные уравнения ………………………….. 14
1.2 Теоретические основы численных методов ………………………………. 17
1.3 Базисные функции ………………………………………………………………….. 21
1.4 Метод коллокаций ………………………………………………………………….. 22
2 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ……………………………………………………………. 28
2.1 Метод полиномиальной коллокации ………………………………………… 28
2.2 Метод коллокации Фурье ………………………………………………………… 38
2.3 Анализ устойчивости метода …………………………………………………… 49
3 СОЦИАЛЬНАЯ ОТВЕТСТВЕННОСТЬ …………………………………………. 54
3.1 ПРАВОВЫ И ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
БЕЗОПАСНОСТИ …………………………………………………………………………… 54
3.1.1 Правовые нормы трудового законодательства для рабочей зоны 54
3.1.2 ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ………………………….. 55
3.2 АНАЛИЗ ВРЕДНЫХ И ОПАСНЫХ ФАКТОРОВ, КОТОРЫЕ
МОЖЕТ СОЗДАТЬ ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. …………………………….. 56
3.2.1 Отклонение показателей микроклимата ………………………………… 56
3.2.2 Повышенный уровень шума …………………………………………………. 58
3.2.3 Недостаточная освещенность рабочей зоны …………………………… 59
3.2.4 Повышенное значение напряжения в электрической цепи,
замыкание которой может произойти через тело человека ………………. 61
3.2.4 Повышенный уровень электромагнитных излучений ……………… 64
3.3 ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ……………………………………. 65
3.4 БЕЗОПАСНОСТЬ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ ……….. 66
4 ФИНАНСОВЫЙ МЕНЕДЖМЕНТ, РЕСУРСОЭФФЕКТИВНОСТЬ И
РЕСУРСОСБРЕЖЕНИЕ …………………………………………………………………….. 70
4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………. 70
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………. 70
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………. 71
4.1.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………….. 72
4.1.4 Оценка готовности проекта к коммерциализации …………………… 74
4.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования ……………………………………………………………………………….. 76
4.2 Инициализация проекта …………………………………………………………… 76
4.2.1 Цели и результат проекта ……………………………………………………… 77
4.2.2 Организационная структура проекта……………………………………… 78
4.2.3 Ограничения и допущения проекта ……………………………………….. 79
4.3 Планирование процесса управления НТИ: структура и график
проведения, бюджет, риски и организация закупок …………………………… 79
4.3.1 Разработка календарного плана проекта ………………………………… 79
4.3.2 Бюджет научного исследования ……………………………………………. 81
4.3.3 специальное оборудование для научных (специальных) работ … 81
4.4 Реестр рисков проекта …………………………………………………………….. 87
4.5 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования88
4.5.1 Оценка абсолютной эффективности исследования …………………. 88
Оценка сравнительной эффективности исследования ……………………… 94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………. 98
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ……………………………….. 99
Приложение A Разработанный алгоритм……………………………………………. 103
Приложение Б Раздел ВКР, выполненный на иностранном языке ……….. 107

В результате выпускной квалификационной работы был разработан
алгоритм, для решения обыкновенных дифференциальных уравнений.
Данный алгоритм позволяет пользователю самостоятельно ввести
необходимые параметры, а также изменить дифференциальное уравнение
для выполнения уже другой поставленной задачи.
Проведены численные эксперименты разработанного алгоритма на
различных типах уравнений второго порядка. Была посчитана погрешность
и построен график зависимости погрешности от количества точек
коллокаций. Точность численного решения зависит от правильного выбора
базисных функций. Количество узлов коллокации влияет на погрешность.
При увеличении точек коллокаций погрешность стремиться к нулю. Также
проведен анализ устойчивости метода и приведен иллюстративный
рисунок области абсолютной устойчивости метода.
В выпускной квалификационной работе также разработаны меры по
охране труда работников и по защите окружающей среды.
В экономическом разделе рассчитаны основные технико-
экономические показатели проекта, определена себестоимость получаемой
целевой продукции и прибыль от ее реализации.

1. Иванов В.И. Дифференциальные уравнения: методические указания /
В.И. Иванов. – М.: 2013. – 13c.
2. ЛебедевА.Г.Лекциипочисленнымметодам:Обыкновенные
дифференциальные уравнения: Учебное пособие для студентов / А.Г.
Лебедев. – Изд. 3-е. – М.: Рубцовский индустриальный институт, 2016.
– 37-38с.
3. Киреев В.А. Метод коллокации с бикубическим эрмитовым базисом в
области с криволинейной границей / Киреев Виталий Александрович. –
М.: Вестник СибГАУ, 2014. №3(55). – 73с.
4. Вержбицкий В.М. Основы численных методов: Учебник для вузов /
В.М. Вержбицкий. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 2005. – 631-637c.
5. Демидович Б.П. Численные методы анализа. Приближение функций,
дифференциальные и интегральные уравнения: Учебное пособие / Б.П.
Демидович, И.А. Марон, Э.З. Шувалова. – 5-е изд. – М.: Изд-во Лань,
2010. – 255-257с.
6. Venkateshan S.P. Prasanna Swaminathan, in Computational Methods in
Engineering / S.P. Venkateshan. – М.: ScienceDirect, 2014.
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/collocation-point